A ENXEÑARÍA QUÍMICA Ó SERVIZO DA SOCIEDADE³n Inaugural da USC_ A...en marcha do Mestrado en...

A ENXEÑARÍA QUÍMICA Ó SERVIZO DA SOCIEDADE

Juan Manuel Lema Rodicio

DISCURSO INAUGURAL

lido na solemne apertura do

curso académico 2017-2018

UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA

A ENXEÑARÍA QUÍMICA

Ó SERVIZO DA SOCIEDADE

Juan Manuel Lema RodicioCatedrático de Enxeñaría Química

Departamento de Enxeñaría QuímicaEscola Técnica Superior de Enxeñaría

Universidade de Santiago de Compostela

A ENXEÑARÍA QUÍMICA Ó SERVIZO DA SOCIEDADE

DISCURSO INAUGURAL

lido na solemne apertura

do curso académico 2017-2018

Universidade de santiago de Compostela

© Universidade de Santiago de Compostela, 2017

edita

Servizo de Publicacións eIntercambio Científico

Campus Vida15782 Santiago de Compostela

usc.es/publicacions

imprime

Imprenta UniversitariaCampus Vida

15782 Santiago de Compostela

Dep. Legal: C 1397-2017ISBN 978-84-16954-43-8

OODiscurso

Exmo. Sr. Reitor, autoridades, compañeiras e compañeiros da Universidade de Santiago de Compostela, amigas e amigos, señoras e señores,

É un privilexio e unha gran responsabilidade poder dirixirme a to-dos vostedes neste acto solemne de inauguración do curso acadé-mico 2017-18 en representación da Escola Técnica Superior de Enxeñaría (ETSE), o centro máis novo e tamén un dos máis activos e innovadores da nosa Universidade.

Unha Escola que en menos de 15 anos foi quen de dar so-porte a dúas titulacións de Grao e catro Mestrados, con elevado prestixio e demanda. O seu espírito colaborador evidénciase no feito de que no seu cadro docente participan profesores de 21 de-partamentos pertencentes a 9 centros e tamén nas iniciativas como o dobre grao en Enxeñaría Informática e Matemáticas ou, máis re-centemente, da proposta do Grao en Biotecnoloxía, en cooperación coas facultades de Bioloxía e Farmacia. Aspiramos tamén á posta en marcha do Mestrado en Biotecnoloxía Industrial, coa participa-ción destacada de profesores dos centros CIQUS e CIMUS, unha titulación orixinal no sistema universitario español, que pretende ser un elemento dinamizador da tecnoloxía e a industria en Galicia.

A ETSE é pioneira en acreditación internacional da súas ti-tulacións e na certificación dos seus sistemas de calidade, incluíndo

8 • Juan Manuel Lema Rodicio

a OHSAS 18001 de seguridade integral, de presentar a oferta do-cente en inglés máis ampla da USC, de ter desenvolvido e aplicado un plan estratéxico modelo, todo isto nun ambiente dinámico, con profesores, persoal de administración e estudantes comprometidos e entusiastas. Tentamos aplicar a innovación e o principio de me-llora continua en todas as nosas actividades.

Considero esta ocasión como unha oportunidade para rei-vindicar o papel decisivo da química e, máis particularmente, da enxeñaría química, disciplina que trata de levar á práctica proce-dementos descubertos a escala laboratorio. Ás veces sentímonos incomprendidos e pouco valorados cando, acotío, observamos que para o gran público a química vén sendo un sinónimo de artificial, molesto, contaminante ou mesmo perigoso.

Ó longo desta lección vou tratar de convencelos que os enxeñeiros químicos temos xogado un papel moi relevante no be-nestar da humanidade e do noso planeta, co desenvolvemento de produtos e procesos sen os cales non só seriamos unha sociedade menos desenvolvida senón tamén menos xusta e sustentable.

O descubrimento e o proceso de produción da penicilina

A historia é ben coñecida. Á volta das súas vacacións, a inicios de setembro de 1928, Alexander Fleming, profesor de Bacterioloxía no St. Mary’s Hospital en Londres, observou algo inusual nunha das placas Petri sementada coa bacteria Staphylococcus: ó redor dunha zona contaminada por un fungo (despois identificado como Peni-cillium notatum) inhibíase o crecemento bacteriano. Máis adiante

A ENXEÑARÍA QUÍMICA Ó SERVIZO DA SOCIEDADE • 9

observou que o mesmo fungo era capaz de bloquear o crecemento doutras bacterias patóxenas tales como Streptococcus, Meningococcus e o bacilo da difteria. Porén, Fleming non foi quen de illar a subs-tancia, máis tarde coñecida como penicilina, polo que o seu tra-ballo publicado no British Journal of Experimental Pathology, en xuño de 1929, non espertou demasiado interese.

Case que dez anos máis tarde, na Universidade de Oxford, o equipo dos químicos Howard Florey, australiano, e Ernst Chain, alemán, consegue purificar e estabilizar a nivel de laboratorio o principio activo antibacteriano co que comezaban a evidenciarse as súas potencialidades, especialmente importantes nun momento crítico, ás portas da Segunda Guerra Mundial.

Simultaneamente, o bioquímico Norman Heatley ideou un sistema de extracción en contracorrente para concentrar a penici-lina usando acetato de amilo como disolvente e Edward Abraham aplicou un novo sistema de cromatografía en columna para elimi-nar as impurezas, fundamental para conseguir a calidade necesaria para unha aplicación sanitaria.

Para efectuar as probas clínicas en animais necesitábase elaborar uns 500 litros semanais do caldo de cultivo, traballo reali-zado polo equipo das «penicillin girls» que empregaban recipien-tes especialmente deseñados por Heatley para favorecer o crece-mento do fungo e facilitar a súa separación do «caldo de cultivo».

Albert Alexander, un policía de 43 anos que sufría unha se-vera infección foi, en febreiro de 1942, o primeiro paciente tratado con extracto de penicilina e aínda que experimentou unha recupe-ración notable, faleceu varios días máis tarde por mor da escaseza de antibiótico. O sistema de produción era moi ineficiente.


Polo traballo sobre o descubrimento e a purificación da pe-nicilina, Fleming, Florey e Chain (figura 1) recibiron conxuntamen-te o premio Nobel no ano 1945.

Conscientes da necesidade de incrementar a eficiencia, necesaria para que a produción de penicilina fora técnica e eco-nomicamente viable, Florey e Heatley buscan apoio nos Estados Unidos de América, dado que a industria química británica non es-taba en condicións de abordar o desenvolvemento dun proceso tan novidoso e arriscado. O 21 decembro, xusto dez días tralo ataque xaponés a Pearl Harbour, chegan a un acordo con representantes do National Research Council e de catro empresas Merck, Squibb, Pfizer e Lederle. En resposta a un chamamento do goberno dos Es-tados Unidos de América, neses momentos xa en estado de guerra, as compañías comezan un moi intenso traballo de investigación co obxectivo de superar as limitacións observadas para atinxir unha produción a grande escala.

Figura 1. Fleming, Florey e Chain, Premios Nobel de Medicina no ano 1945


As perspectivas non eran boas. Segundo un informe interno de Pfizer: «O fungo é temperamental como unha cantante de ópe-ra, o illamento moi difícil, a extracción é criminal, a purificación invita ó desastre e os rendementos son insatisfactorios». E aínda que as catro compañías lograron mellorar as produtividades, o salto definitivo conségueo a compañía Pfizer. O seu director de investi-gación, o químico Jasper Kane, e os enxeñeiros químicos Marga-ret Hutchinson, por certo a primeira doutora en enxeñaría química polo MIT e a primeira muller aceptada na American Institution of Chemical Engineers, e John Mckeen conseguen desenvolver un procedemento orixinal con rendementos miles de veces superiores ós orixinais. A rompedora idea foi a de cultivar o fungo en cultivo somerxido en lugar de en superficie, unha contorna máis «natural» para o fungo (figura 2).

O proceso incluía o acondicionamento da materia prima e as etapas de fermentación, separación e purificación. A chama-da wonder drug pasou de producirse en recipientes dun litro, con

Figura 2. Kane, Mckeen e Hutchinson desenvolveron o proceso para a produción industrial de penicilina (1943)


rendementos inferiores ó 1%, a tanques de decenas de metros cú-bicos con rendementos do 80-90%. Así, podía acadarse nun só día a cantidade de penicilina equivalente á obtida en todo o ano ante-rior. En marzo de 1944 Pfizer inaugura a nova planta en Brooklyn. A produción foi tan eficaz que o 6 de xuño de 1944, o «día D» da operación Overlord, no desembarco en Normandía cada soldado levaba no seu equipamento unha dose de penicilina, o que permi-tiu salvar, nesta batalla e durante toda a Segunda Guerra Mundial, incontables vidas humanas.

Aínda que o traballo de Kane, Hutchinson a McKeen foi salientado en 2008 pola American Chemical Society como un dos National Historic Chemical Landmarks, a verdade é que poucas persoas teñen recoñecido o seu extraordinario esforzo e mérito.

O concepto de proceso químico

A produción da penicilina responde perfectamente ó concepto de proceso químico no que, partindo de materias primas acondiciona-das, se procura obter os produtos desexados, en calidade e canti-dade, nunha operación que non só ten que ser eficaz senón tamén eficiente e en condicións seguras. O proceso comezaba propagan-do o fungo en erlenmeyers de 3 litros que alimentaban os tanques «semente», de 700 litros, que a súa vez alimentaban a 14 tanques de 30 m3 onde tiña lugar a fermentación durante un período de 2 a 4 días, obtendo a penicilina nunha proporción inferior ó 0,4%. De seguido, concentrábase mediante un proceso baseado no sis-tema de extracción desenvolvido por Heatley a nivel laboratorio. Finalmente, purificábase mediante cristalización previamente a ser liofilizada e envasada (figura 3).


Este intenso traballo foi o punto de partida da rama da enxeñaría química coñecida como enxeñaría bioquímica, que tivo un desenvolvemento notable na década de 1970, cando se com-prenderon mellor os principios e se formalizaron os seus procede-mentos de cálculo, control e operación.

Para a concepción dun proceso químico requírense moi poucos principios: balances de materia, enerxía e cantidade de movemento; cinética física e cinética química; e condicións de contorno, limitadas fundamentalmente pola termodinámica. E con estes tres principios básicos poden afrontarse innumerables pro-cesos con campos de aplicación tan diferentes como a produción de centos de miles de toneladas de polietileno, ou a análise e mo-delado do proceso fotosintético dunha cianobacteria, pasando pola

Figura 3. Proceso de produción de penicilina. (Brunet et al. 2004)


consideración do aparato dixestivo dos seres humanos como un proceso químico.

A enxeñaría química, considerada como a máis científica das enxeñarías, unha das big four conxuntamente coas enxeñarías mecánica, eléctrica-electrónica e civil, ten esta enorme potencia-lidade de adaptación á procura de solucións a problemas de moi diversa índole e escala. A enxeñaría química tivo un papel funda-mental na concepción dunha moi ampla variedade de procesos e produtos.

• Grazas á síntese química elimináronse as barreiras econó-micas para o acceso ós colorantes de fibras, ata ese momento privilexio exclusivo das clases máis altas, contribuíndo así a unha sociedade máis igualitaria.

• A enorme variedade de materiais plásticos, dende a baque-lita, en 1910, poliamidas como o nailon, desenvolvido por Dupont nos anos 30, poliestireno, polietileno, polipropileno ou máis recentemente dos plásticos biodegradables a partir de lactato, supuxo unha mudanza radical do noso estilo de vida.

• Os sistemas de síntese e produción de produtos farmacéu-ticos como os antibióticos, a proxesterona ou o ibuprofeno melloraron as expectativas e a calidade das nosas vidas.

• Como curiosidade, indicar que o primeiro ril artificial de placa plana foi desenvolvido no ano 1949 por Leonard Skeggs e Jack Leonards na Universidade de Cleveland par-tindo dunha idea orixinal de Wilhelm Kolff de 1943, ou que as estruturas plásticas biodegradables para a rexeneración de tecidos foron desenvolvidas no MIT en 1998.


• E por suposto, os combustibles, básicos para entender a nosa vida actual, a partir do petróleo ou máis recentemente os biocombustibles como o bioetanol ou o biodiésel, partin-do de materiais renovables.

• Sen contar os millóns de vidas salvadas polos sistemas de desinfección de auga mediante compostos clorados (posible-mente a innovación que conseguiu salvar mais vidas huma-nas, moitas máis que as vacinas ou os antibióticos), e o con-trol da contaminación do medio natural causada polas augas residuais xeradas nas actividades humanas e industriais.

A fixación do nitróxeno atmosférico Agora ben, de tódolos casos nos que a enxeñaría química xogou un papel decisivo, voume centrar hoxe nun proceso concreto. Espero que ó rematar esta lección todos vostedes concorden comigo en que a fixación industrial do nitróxeno atmosférico mediante a síntese do amoníaco (NH

3) resultou vital. É máis, espero que acepten que

posiblemente se trate do descubrimento científico-técnico máis sa-lientable para a supervivencia da humanidade.

Empezaremos falando do nitróxeno, elemento familiar para todos nós xa que constitúe case o 80% do aire no que vivimos e tamén esencial para a vida pois é un dos elementos constituíntes do ADN, a propia base da vida. Mentres que o carbono é recuperado case ilimitadamente do medio natural por algas, plantas e unha ampla variedade de bacterias, mediante a función fotosintética, un prodixio de precisión técnica, a ruta do nitróxeno natural depende dunha conexión moi feble.


O nitróxeno é moi, moi abundante pero tamén moi, moi es-table. Para que poida reaccionar e así formar outros compostos é necesario romper o forte enlace triplo que o mantén practicamente inerte. No entanto, a natureza desenvolveu un procedemento in-criblemente eficaz para incorporar o nitróxeno atmosférico ó solo e, a partir del, ós cultivos e posteriormente a tódolos seres vivos. É asombroso cómo as bacterias fixadoras de nitróxeno son capaces de sintetizar o amoníaco que, posteriormente e por acción de bac-terias nitrificantes, é transformado en nitrato, a especie nitroxenada masivamente asimilable polas plantas. E este proceso só se da nas raíces das leguminosas, nunha fascinante asociación simbiótica entre bacterias e plantas.

É dicir, que a supervivencia da vida na terra é absolutamente dependente da actividade destas bacterias fixadoras de nitróxeno. Ou polo menos isto era así ata hai uns cen anos cando se idean procedementos para a síntese industrial do amoníaco.

A rotación dos cultivos, aplicada tradicionalmente polos agricultores, permite unha incorporación natural do nitróxeno á terra, acompañada sempre polas boas prácticas de reciclaxe de materiais nitroxenados. Estas medidas resultan máis que dabondo para manter as terras suficientemente fértiles se a demanda non é esixente.

No entanto, o incremento importante da poboación facía peligrar este balance. De feito, xa en 1798 Thomas Malthus, eco-nomista e demógrafo inglés, publica a primeira edición da súa obra An Essay on the Principle of Population onde advertía da diverxen-cia entre o crecemento da poboación, xeométrico, e a produción de alimentos, aritmética, polo que prognosticaba unha catástrofe que


podería finalizar coa extinción da especie humana para 1880. Con todo, Malthus non identificaba as razóns que limitaban as produ-cións agrícolas, non coñecía a limitación da capacidade de fixación natural de nitróxeno atmosférico.

As fontes de abono naturalXustamente nas datas para as que Malthus albiscaba a catástrofe alimentaria, e tras unha expedición científica de Alexander von Humboldt, a sociedade occidental descubriu un extraordinario fertilizante, o guano, que tiñan usado os incas durante centos de anos a moi pequena escala. O guano (huanu en inca) é o residuo producido por miles e miles de aves que aniñan nuns illotes perto da costa de Perú, as illas Chinchas. A falta de choiva na zona fixo que os acúmulos alcanzaran miles de toneladas.

No ano 1824 chega ó porto de Baltimore en USA o primeiro cargamento de guano e os agricultores norteamericanos decátan-se do seu potente valor fertilizante, o que orixina unha inmediata demanda en todo o mundo. Créase axiña un número importante de compañías autorizadas polo goberno peruano, que mediante as licenzas acadaba ata o 75% dos seus ingresos. Literalmente, o Perú «vivía do guano». A explotación estaba a cargo de milleiros de coolies, chineses, en réxime de semiescravitude, que tiñan emi-grado a esas áreas na procura dun futuro mellor que nunca lles chegou. Pero a extracción foi tan intensa que o recurso esgotouse practicamente en menos de 20 anos (figura 4).

Non lonxe desta zona, no Salar de Atacama, actualmente pertencente a Chile pero previamente territorio peruano, tamén nunha zona de precipitacións extraordinariamente escasas, unha


vez cada 20 anos, tíñanse descuberto depósitos moi importantes de sales, especialmente de nitratos. O propio Charles Darwin tivo ocasión de comprobar en 1835 as enormes extensións cubertas por láminas de minerais de sabor salgado que el considerou como o residuo salino dun gran mar interior que se tiña secado. Estes de-pósitos, aínda que cun contido fertilizante moi inferior, xa que ca-recían da urea e do fósforo do guano, eran coñecidos como caliche, produto enriquecido en nitrato potásico.

É importante salientar agora que o nitrato era fundamental para as sociedades desenvolvidas, non só polo seu valor fertilizante (moitos de vostedes aínda se lembrarán dos anuncios de Nitrato de Chile, coa imaxe do huaso chileno a cabalo) senón tamén como

Figura 4. Recoleción de guano nas illas Chinchas (Perú), anos 1840


compoñente fundamental da pólvora, formada por un 75% de ni-trato potásico, un 15% de carbón vexetal e un 10% de xofre. Por isto, o Nitrato de Chile resultaba vital, dada a importante demanda provocada pola Guerra de Secesión nos Estados Unidos de Nortea-mérica na década de 1860 mais tamén en moitas guerras europeas (Austro-Prusiana, guerras Napoleónicas, de Crimea, guerra Car-lista en España...). Alemaña e Francia tiñan un interese especial neste recurso ó careceren doutras fontes alternativas, mentres que o Reino Unido contaba con depósitos naturais na India.

Como consecuencia desta fortísima demanda implántanse, espalladas por todo o deserto, as denominadas oficinas, pequenos poboados autónomos onde se producía o salitre a partir do caliche (figura 5). Sobre 120 na zona de Tarapacá e 93 na de Antofagasta,

Figura 5. Oficina «Angela vieja» (1910). Fotografía de Floro Rodríguez-Moldes. Xentileza de Isabel Rodríguez-Moldes Teo


algúns con nomes tan próximos a nós como Pontevedra, Vigo ou Coruña.

O sistema de produción inicial era moi rudimentario e in-eficiente, aplicado só ós salitres de alta lei, consistente en quecer o caliche a fogo directo para tratar de extraer un nitrato enriquecido. Na década dos 1870, o británico Humberstone adaptou o sistema Shanks, desenvolvido previamente para producir carbonato sódi-co, que basicamente constaba dunha trituración e moenda, segui-do dunha etapa de lixiviación con auga quente, finalizando cunha cristalización do sal tralo arrefriamento e evaporación de auga en balsas. Este sistema permitía obter un salitre de mellor calidade, aproveitando áreas de nitrato de menor riqueza e reducindo nota-blemente os custos de produción.

O sistema Shanks foi operativo durante máis de 50 anos ata que nos anos 1920, co mercado do salitre xa en declive e para aproveitar as menas de menor riqueza, implementouse o «Siste-ma Gugengheim» en dúas instalacións: «Pedro de Valdivia», que cesou a súa actividade en 1996 e «María Elena», que aínda se mantén operativa.

A importancia económica da explotación do salitre foi a causante da guerra do Pacífico, tamén chamada a «guerra do Gua-no e do Salitre», que enfrontou Perú, aliado con Bolivia, con Chile.

Dados os enormes ingresos económicos derivados da explo-tación das salitreiras ten lugar unha especie de «febre do ouro», de modo que Iquique, poboación ó norte de Chile de 12.000 habitan-tes, chega a ter o seu propio teatro, inaugurado en 1890 e cunha ca-pacidade de 784 persoas, onde actuaban compañías europeas coma as de Sarah Bernhardt, de Leopoldo Fregoli ou de Enrique Vico. No


1900 Chile producía dous terzos do fertilizante a nivel mundial e, por exemplo, só Alemaña, o primeiro cliente, chegou a importar ata 900.000 t/ano en 1912.

A síntese do amoníacoA incorporación de fertilizantes aportados polo huano e polo salitre ó ciclo produtivo da agricultura modificou as previsións de Malthus e permitiu alimentar á crecente poboación, tendo en conta ademais a explotación das fértiles terras dos Estados Unidos de América.

Exactamente un século despois da publicación do libro de Malthus, sir William Crookes, presidente electo da British Aca-demy of Sciences, pronuncia en 1898 en Bristol un famoso discurso onde advirte que a achega de nitróxeno ó solo en base ó caliche procedente de Chile non resultaba sostible, por mor do esgotamento progresivo dos xacementos. Prognosticaba que, dado o importante incremento da poboación, os habitantes dos países máis desenvol-vidos, como o Reino Unido, comezarían a sufrir serias limitacións, tendo en conta particularmente a produción de cereais. Consonte o balance de materia de nitróxeno (canto se fixaba naturalmente, canto se podía achegar, canto se reciclaba e canto se consumía na produción de alimentos), Crookes determinou un horizonte de sustentabilidade cara ó ano 1930 se non se conseguían producir novos fertilizantes en cantidades moi importantes, suxerindo que debería explorarse un proceso para a fixación masiva do nitróxeno atmosférico. O problema era relativamente fácil de formular, mais moi difícil de resolver.

A finais do século XIX as compañías químicas alemás eran as máis avanzadas e potentes de todo o mundo, grazas á carboquí-mica e, especialmente, á fabricación de colorantes artificiais, de


enorme demanda. Alemaña era o centro da química sintética mun-dial, a enorme distancia doutros países como Reino Unido e aínda a maior distancia de Francia. Porén, unha das súa enormes debili-dades era o subministro de nitrato, esencial para a agricultura pero tamén elemento básico para a fabricación de explosivos, de enorme importancia cara a unha guerra que xa se estaba albiscando. A po-tente armada británica podería bloquear o comercio dende Chile.

A primeira idea para a fixación do nitróxeno foi reproducir o fenómeno que acaece na atmosfera terrestre durante as tormen-tas eléctricas, seguindo unha idea de Cavendish. O procedemento, desenvolvido por Kristian Birkeland (físico) e San Eyde (enxeñei-ro), consistía en xerar unha chispa eléctrica mediante un arco vol-taico nun recipiente con nitróxeno e osíxeno para así obter nitrato. O sistema chegou a poñerse en marcha en Notodden (Noruega) en 1903, onde a enerxía eléctrica era moi barata e abundante, pero mostrouse completamente inviable a nivel global por requirir un consumo eléctrico excesivo.

Unha segunda opción consistía na fixación de nitróxeno mediante carburo cálcico (obtido nun forno eléctrico a partir de carbón e óxido de calcio) para formar cianamida cálcica que, por hidrólise posterior, daba lugar a amoníaco. O proceso, desenvol-vido por Frank e Caro, en Alemaña, en 1895, foi aplicado a nivel industrial a partir de 1906 en Knapsack, preto de Colonia e en Trotsberg, preto de Munich. O proceso era asemade moi deman-dante enerxeticamente.

Nesa mesma época, Fritz Haber, profesor de Química Fí-sica na prestixiosa Universidade Técnica de Karlsruhe, comeza a explorar a posibilidade de sintetizar amoníaco a partir de nitróxeno


e hidróxeno. Agora ben, o reto non era simple pois a reacción é moi complexa por teren que interaccionar, simultaneamente, tres moléculas de hidróxeno e unha de nitróxeno, coa enerxía suficiente para romper o potente enlace nitróxeno-nitróxeno.

Para prover esta enerxía resulta conveniente operar a tem-peraturas elevadas para así acadar dous efectos positivos: a) incre-mentar a velocidade da reacción por aumentar o número de choques posibles entre os reactivos e; b) incrementar a enerxía de vibración dos enlaces, que como consecuencia se relaxan. Lamentablemente, ó tratarse dunha reacción reversible e exotérmica, o rendemento da reacción vaise limitando moitísimo coa temperatura.

O problema parece irresoluble pois, por mor da termodiná-mica convén traballar a temperaturas baixas, aínda que conside-rando a cinética convén traballar a temperaturas moi elevadas. De feito, por baixo dos 1000 °C a reacción é moi lenta.

Wilhelm Ostwald, un xigante da química-física, tiña avan-zado moito no concepto e aplicación da catálise heteroxénea, me-canismo que permite incrementar notablemente as velocidades de reacción. De feito el, xa experimentara con ferro como catalizador para, xustamente, sintetizar amoníaco, aínda que sen éxito. A catá-lise heteroxénea permite, tras unha potente adsorción do nitróxeno na superficie do metal, relaxar o enlace N-N, posibilitando por tan-to a operación a temperaturas inferiores.

Haber recolle esta idea pero propón aumentar moi nota-blemente a presión de operación para favorecer tanto a cinética, co que se consegue un incremento da concentración, é dicir nun incremento da probabilidade da difícil interacción entre as catro moléculas, como a conversión, ó tratarse dunha reacción en fase gas con diminución do número de moles (de 4 a 2).


Axudado por Robert Le Rossignol, Haber deseña un siste-ma (figura 6), que incluía un reactor catalítico con ferro, un equipo

de refrixeración rápida e condensación do produto e un sistema de recirculación de gases co que realiza ensaios a presións crecentes de ata 200 atmosferas, o que permitiu baixar a temperatura de ope-ración ata 550 °C, conseguindo así producir NH

3 a escala laborato-

rio, iso si con rendementos moi baixos (figura 7). Estes resultados, aínda moi lonxe da base para un proceso comercial, convencen a BASF, neses momentos a maior empresa produtora de coloran-tes sintéticos do mundo, para embarcarse nesta liña de traballo. A decisión tómase de acordo co informe do enxeñeiro Carl Bosch que xa tiña desenvolvido traballos alternativos sobre a síntese de

Figura 6. Prototipo de Haber para a síntese do amoníaco. (Adaptado de Averill & Eldredge, 2016)


amoníaco polo procedemento da cianamida. A cooperación entre Fritz Haber e Carl Bosch foi extraordinariamente proveitosa e en moi pouco tempo foron quen de producir numerosas patentes rele-vantes para o proceso.

En ensaios posteriores, Haber propuxo cambiar o ferro polo osmio, material utilizado para a fabricación de lámpadas incan-descentes. O resultado foi espectacular, conseguindo rendementos decenas de veces superiores ós coñecidos, pero aínda moi lonxe dos necesarios. En todo caso, BASF decidiu comprar todo o osmio do mundo, conseguindo non máis de 400 kg o que supoñía unha

Mol

es (%

)

Temperatura (ºC)

Figura 7. Ó aumentar a presión e diminuír a temperatura obtéñense mellores ren-dementos de amoníaco (as curvas en violeta e en verde corresponden a presións de 2 e 200 bares, respectivamente) (Adaptado de Averill & Eldredge, 2016)


moi grande limitación de cara a unha implantación industrial. Nes-te momento Haber era capaz de sintetizar case 5 litros de NH

3 por

día, cun rendemento inferior a un 10%. Trasladado a escala in-dustrial, isto podería significar como moito unha produción de non máis de 750 t/ano. Absolutamente insuficiente.

Tras estas etapas iniciais tan importantes, tanto Haber como Le Rossignol vense tentados por ofertas moi atractivas dou-tras empresas e deixan o proxecto exclusivamente en mans de Carl Bosch e o seu equipo de investigación en BASF. A compañía deci-de apostar, con moitísimo risco, polo amoníaco como o seu produto estrela. O seu presidente, Heinrich von Brunk, cre en Bosch e nos seus procedementos e, malia as enormes reticencias, mesmo as do propio Haber, neste momento simple asesor da empresa, persuade ó consello de administración de seguir no proxecto destinando tó-dolos recursos necesarios, cun orzamento practicamente ilimitado que mesmo podería poñer en perigo a viabilidade da empresa. O risco era enorme, pois ata ese momento considerábase que tecni-camente non era posible ningunha operación industrial a presións superiores a 50 atmosferas e temperaturas por riba dos 150 °C.

Os esforzos centráronse en tres aspectos claves: a) a busca dun catalizador máis eficaz e máis sustentable; b) a obtención das materias primas, nitróxeno e hidróxeno, con calidade suficiente; e c) o deseño dun reactor capaz de traballar a temperaturas e pre-sións nunca acadadas a nivel industrial.

Porque non só se trata de obter un catalizador activo. É im-prescindible que sexa estable, é dicir, que permita unha operación continua e eficaz durante miles de horas, esencial para a produción dun produto de tonelaxe como o amoníaco. Baixo a dirección de


Alwin Mittasch desenvólvese un programa de investigación masivo que inclúe o deseño de sistemas en descontinuo para poder reali-zar ensaios en paralelo. Probáronse moitos metais, uranio, platino, paladio, iridio, rutenio, entre outros, todos eles metais de transi-ción que teñen a capacidade de experimentar múltiples estados de oxidación estables, xa que poden perder electróns d sen un gran sacrificio enerxético. Pero o osmio seguía sendo a mellor opción.

Agora é Bosch o que propón unha idea rompedora. A adi-ción ó ferro de trazas de óxido de aluminio e calcio como promotores permitía aumentar non só a actividade senón tamén a estabilidade do catalizador. Este foi, entre os máis de 20.000 catalizadores con-siderados, o máis efectivo; iso si, cun importante talón de Aquiles, xa que pequenas impurezas de xofre e cloro, entre outras, volvían o catalizador inactivo, o que se coñece como envelenamento, por producírense fortes enlaces de natureza practicamente irreversible e que provocan a súa inactivación.

O nitróxeno podíase obter moi eficientemente e con gran calidade mediante licuefación do aire, procedemento desenvolvido anos atrás para refrixerar a cervexa Guinness en Dublin!, e poste-rior destilación. O maior problema residía no hidróxeno, obtido ó circular vapor de auga sobre carbón a unha temperatura elevada. A reacción produce o chamado gas de auga ou gas pobre, unha mes-tura equimolecular de hidróxeno e monóxido de carbono, resultan-do este último absolutamente letal para os catalizadores. Daquela houbo que desenvolver un complexo sistema para a eliminación case completa do monóxido de carbono.

O seguinte gran reto foi o reactor. O equipo tiña que resistir temperaturas de 500-600 °C, a presións de 200 atmosferas e todo


el completamente estanco, moi necesario debido á difusividade e inflamabilidade do hidróxeno. Había que mellorar o contacto entre o catalizador e os gases reactivos, necesitábase refrixerar o equipo para evacuar a enerxía desprendida da reacción e resultaba im-prescindible un arrefriamento moi rápido do amoníaco producido para evitar a reacción reversible. Todo un reto!

Bosch decide construír un equipo piloto con dous reactores en aceiro, de 2,5 m de altura e 2,5 cm de espesor. Construíronse na fábrica de canóns da empresa Krupp, verdadeiros especialistas en aceiros, material composto por ferro, carbono e outros metais en pequenas proporcións. En condicións de altas temperaturas e presións, o hidróxeno reaccionaba co carbono do aceiro, algo nunca observado con anterioridade, o que provocaba un aumento da súa fraxilidade. Houbo que desenvolver unha solución enxeñosa, cons-truíndo o reactor cunha capa dupla, unha interna de ferro doce que proporcionaba a resistencia química e a segunda de aceiro, que o dotaba dunha enorme resistencia mecánica. Finalmente o prototipo comezou a producir en 1911 máis de 2 t de amoníaco/día. O reactor pode visitarse actualmente no campus da Universidade Técnica de Karlsruhe.

A planta piloto resultou todo un éxito de forma que animou á compañía a construír unha planta a nivel industrial en Oppau, inaugurada en setembro de 1913, nove meses antes do comezo da Primeira Guerra Mundial. A factoría podía proporcionar a Alemaña un subministro continuo de amoníaco para conseguir alimento sufi-ciente para os seus habitantes, sen depender das fontes de nitrato, en Chile, pero tamén a materia prima imprescindible para as súas fábricas de explosivos.


A historia da síntese do amoníaco é un exemplo de clari-videncia científica, de constancia e de audacia técnica. Polo seu traballo Fritz Haber recibe o premio Nobel do ano 1918 (aínda que non o recolle ata 1920) e Carl Bosch no ano 1931 (figura 8).

O seu traballo foi vital, non só para crear este proceso, tan necesario, senón que foi a base da industria para a síntese quími-ca catalítica a alta presión. No camiño tivéronse que desenvolver novos equipamentos tales como fornos, catalizadores, compresores de alta presión, equipamentos para medida e control de variables de operación, e sistemas para intercambio de calor. E todo isto nun tempo extraordinariamente curto en proporción ós resultados atinxidos. Dende que Haber realiza as súas primeiras probas ata a operación industrial da planta de Oppau pasan menos de 15 anos. Incrible!

Figura 8. Fritz Haber e Carl Bosch, premios Nobel de Química nos anos 1918 e 1931


En 1917 constrúese una planta de moito maior tamaño, en Leuna, ó norte de Alemaña (figura 9), preto de importantes recursos

de carbón pero tamén lonxe da fronteira con Francia. Progresiva-mente instaláronse procesos para a síntese do metanol, de hidroxe-nación de graxas, de nitratos, deterxentes e de caucho sintético, entre outros. Aplicando principios, procedementos e equipamentos inspirados na experiencia adquirida na síntese do amoníaco, outro químico industrial, Friedrich Bergius, desenvolve na mesma em-presa un proceso para a produción de gasolina sintética a partir da gasificación de carbón que se implementa tamén en Leuna en 1927, traballo polo que recibe en 1931, conxuntamente con Carl Bosch, o premio Nobel en recoñecemento ás súas contribucións á concepción e desenvolvemento de métodos de química industrial de alta presión.

A planta de Leuna, onde traballaban máis de 35.000 per-soas, era vital para Alemaña xa que nos anos 1930 proporcionaba

Figura 9. Planta industrial de BASF en Leuna (1927) (BASF, 2015)


máis do 25% da gasolina e unha fracción moi importante do nitrato necesario para a agricultura e para a fabricación de explosivos. Tan importante, que no transcurso da Segunda Guerra Mundial chegou a ser o principal obxectivo da aviación aliada, aínda que defendido por un sofisticado sistema de 600 baterías controladas por radar, operado por máis de 5.000 persoas; un sistema defensivo máis po-tente do que dispoñía a propia cidade de Berlín. Tras 32 ataques aéreos, con máis de 200 bombardeiros en cada un deles, a planta de Leuna deixou de operar en abril de 1945, practicamente na fin da guerra en Europa.

Actualmente, máis do 85% de todos os produtos químicos obtéñense mediante métodos catalíticos e moitos deles en sistemas de alta presión. E o que é máis impactante: entre o 15 e o 20% das actividades económicas en países industrializados dependen direc-tamente de procesos catalíticos. Sen esquecer, como curiosidade, que os automóbiles levan instalado, xa dende hai varios anos, un moi eficaz e eficiente convertedor catalítico con dúas seccións: a primeira a base de platino ou paladio para a combustión completa dos hidrocarburos e do monóxido de carbono, e a segunda que in-corpora rodio, para a redución dos óxidos de nitróxeno nos gases de escape. Outro produto da enxeñaría química.

E agora preguntaranse vostedes por que teño indicado que a síntese do amoníaco é tan relevante para a sociedade. Dixen, aín-da, que posiblemente era o descubrimento científico-técnico máis importante para a supervivencia do ser humano. Pois para conven-celos só necesito un dato: actualmente prodúcense mediante este procedemento máis de 160 millóns de toneladas de amoníaco. Máis do 50% da poboación actual do planeta vive grazas á produción


sintética de amoníaco. Máis de 3.500 millóns de persoas non pode-rían ter acceso a alimentos sen esta fonte case ilimitada de nitróxe-no asimilable (figura 10). Non creen que non esaxero?

As potencialidades da enxeñaría químicaO proceso Bosch-Haber é, posiblemente, o mellor exemplo do que en economía se coñece como o substituto tecnolóxico: cando parece ter chegado o límite físico dunha actividade ou dun recurso, xor-de un cambio de paradigma que xera unha nova alternativa. Por exemplo, nestes momentos estamos inmersos nun importantísimo reto onde as enerxías renovables fotovoltaicas e eólicas, os biocar-burantes, a pirólise de materiais lignocelulósicos e a gasificación do carbón, están a amosarse como alternativas reais e vantaxosas fronte ó modelo enerxético practicamente monopolizado polos

Figura 10. A síntese do amoníaco fai posible a vida de 3.500 millóns de habi-tantes no planeta (Erisman, 2008)


hidrocarburos. E en moitas destas alternativa a enxeñaría química resulta un axente principal.

Como indiquei ó inicio da lección, os principios básicos da enxeñaría química son poucos, pero moi sólidos e versátiles, de modo que poden aplicarse á procura de solucións de innumera-bles problemas. A modo de exemplo, repasemos as grandes liñas de investigación actuais dun dos centros senlleiros da enxeñaría química mundial, o célebre Massachussets Institute of Technology: bases moleculares das enfermidades; sistemas de produción conti-nua; liberación controlada de fármacos; síntese de materiais; quí-mica verde ambiental e enerxías renovables. Liñas ben diferen-tes das seguidas para a síntese do amoníaco ou da produción de penicilina mais sempre baseadas nunha mesma concepción cien- tífico-técnica: avanzar no coñecemento, en cooperación con outras áreas científicas, e desenvolver os procedementos para atinxir unha aplicación de interese. Todo un catálogo de novas oportunidades e de novas fronteiras na procura dun maior benestar da humanidade.

A enxeñaría química na Universidade de Santiago de Com-postelaA enxeñaría química comeza en Santiago de Compostela nos anos 1950 baixo a denominación de Química Técnica, seguindo as ten-dencias alemás. Durante máis de 20 anos a liña principal de inves-tigación estivo centrada na caracterización e mellora de procesos de destilación e no estudio do equilibrio líquido-vapor, unha inves-tigación clásica e ó mesmo tempo abordable cos escasísimos re-cursos dispoñibles. Nos anos 1980, co cambio de modelo da inves-tigación en España, máis aberta ó mundo e con maiores recursos,


vanse incorporando, pouco a pouco, liñas novidosas en sintonía con tendencias a nivel internacional.

Síntome moi honrado de pertencer ó Departamento de Enxeñaría Química da Universidade de Santiago de Compostela, un dos máis dinámicos e prestixiosos do sistema universitario es-pañol, como vén sendo ratificado en moi diferentes rankings, tanto de docencia como de investigación. Hoxe en día, os seus grupos de investigación, con actividade na Escola Técnica Superior de Enxe-ñaría, no Instituto de Investigación Tecnolóxicas e na Facultade de Ciencias pretenden, como é consubstancial coa propia enxeñaría química, avanzar no coñecemento, descubrir novos paradigmas e buscar solucións a problemas reais da sociedade. Unha investi-gación que non debe considerarse nin básica nen aplicada senón, sinxelamente, orientada a resultados (www.usc.es/enxqu).

A investigación desenvolvida no Departamento ten unha marcada orientación Eco-Ambiental e pode englobarse en tres grandes ámbitos i) Ecoprocesos (Enxeñaría e xestión de produtos sustentables; Procedementos para secuestrar o dióxido de carbono que está a contribuír ó fenómeno do quecemento global do pla-neta; Modelización ambiental; Caracterización e novas aplicacións dos líquidos iónicos, unha nova familia de compostos químicos de fascinantes propiedades); ii) Ecoproductos (Aproveitamento inte-gral de materiais lignocelulósicos; Obtención de produtos cosmé-ticos con actividade antioxidante a partir de algas galegas; Novos produtos alimenticios sen glute, a partir de castañas , bioplásticos a partir de materiais lignocelulósicos ou de residuos); e iii) Enxeña-ría ambiental (Procedementos para limitar as emisións e os efectos da contaminación atmosférica; Tratamentos de augas residuais e residuos industriais e urbanos).


Voume permitir rematar esta lección facendo un repaso das actividades do meu propio grupo de investigación, Biotecnoloxía Ambiental, un equipo de máis de 50 persoas animosas e traballa-doras, que iniciou as súas actividades hai máis de 30 anos e do que me sinto moi orgulloso (www.usc.es/biogrup). As nosas liñas de investigación encádranse en tres ámbitos. A primeira preten-de o desenvolvemento de reactores e procesos para o tratamento de augas residuais industriais e urbanas. Preocupámonos pola elimi-nación de microcontaminantes orgánicos tales como produtos far-macéuticos, cosméticos e químicos (figura 11a), pola redución de nitróxeno mediante sistemas de gran eficiencia enerxética (figura 11b), por recuperar recursos tales como fósforo, enerxía en forma

de biogás, ou auga de grande calidade para reutilización limitando, no posible, a emisión de gases de efecto invernadoiro.

A segunda liña pretende, utilizando ferramentas propias da enxeñaría química como os balances de materia e enerxía, determi-nar a sustentabilidade de produtos e procesos mediante o concepto do análise de ciclo de vida e tamén desenvolver ecoprodutos con

Figura 11a. Sistema SEMPAC patentado pola USC e en explotación por SUEZFigura 11b. Sistema ELAN patentado pola USC e en explotación por FCC-Aqualia


mínimo impacto ambiental. Finalmente, nunha terceira liña trá-tase de aplicar o concepto de biorrefinería, pretendendo a concep-ción de procesos para obter produtos tales como biocombustibles, produtos químicos de base como ácidos graxos volátiles e bioplás-ticos a partir de materiais lignocelulósicos e mesmo de residuos.

Os resultados obtidos nos últimos cinco anos, froito de 30 teses de doutoramento, ademais de seren publicados en máis de 200 artigos en revistas internacionais foron a base da obtención de 15 patentes, cinco delas en explotación por empresas do sector de tratamento de augas. De novo o binomio xeración de coñecemento e busca de aplicacións como eixo fundamental do noso traballo.

O noso grupo é promotor dunha moi ilusionante iniciativa, a agrupación estratéxica CRETUS (Cross-Research in Environmental Technologies) (www.usc.es/cretus), formada por oito grupos titulares e cinco asociados das Facultades de Bioloxía, Dereito, Económicas, Física, Psicoloxía e Química e da Escola Técnica Superior de Enxe-ñaría, que pretende desenvolver e avaliar tecnoloxías ambientais sostibles, procurando solucións para minimizar impactos e riscos e para recuperar recursos, a través de procesos que sexan económica, social e ambientalmente sostibles, baixo unha óptica interdiscipli-nar e holística. Cremos que a súa consolidación pode achegar á nosa Universidade e ó Sistema Universitario Galego un orixinal e moi potente foco de I+D que pretende ser referente en España, ben inte-grado na comunidade científico-técnica internacional.

A evolución positiva da sociedadeNesta lección inaugural do curso 2017-2018 tratei de salientar a contribución da enxeñaría química ó benestar da humanidade e


espero ter creado unha «boa química» entre a enxeñaría química e todos vostedes.

Agora, cando chega o momento de pór fin á miña interven-ción, quero salientar que esta contribución non vén sendo máis que o reflexo dunha idea central, orixinada nos tempos da Ilustración e que forma parte da razón de ser da nosa alma mater e da activida-de científica coa que me sinto apaixonadamente comprometido. A idea é tan simple e poderosa como que a acción humana é respon-sable das contornas que crea.

Non me teño por un optimista patolóxico e por isto son consciente de que a pobreza, a desigualdade e a inxustiza seguen a ser realidades asasinas ás que se enfrontan millóns de persoas no noso planeta, pero en liña cos traballos de Steven Pinker, psicólo-go na Universidade de Harvard, ou de Mark Mazower, historiador na Universidade de Columbia, estou convencido de que o vector histórico, o resultante de moi diferentes compoñentes, incluso con-siderando accidentes temporais dramáticos, ten unha dirección e sentido moi positivos.

Evolución que pode medirse con indicadores cuantitativos, como o espectacular incremento da esperanza de vida ou o descen-so radical da taxa de pobreza a nivel mundial, como tamén cualita-tivos. A consideración da dignidade do ser humano, perfectamente recoñecida na Declaración Universal dos Dereitos Humanos de 1948, é un magnífico exemplo da extraordinaria mudanza social.

O filósofo Karl Popper, unha das mentes máis preclaras do século XX, era moi crítico cos intelectuais de diferentes ideoloxías que insistían en enfatizar unicamente os aspectos negativos da nosa sociedade. Seguramente Popper non tiña en conta que prestar máis


atención á información negativa, aquela que advirte de posibles perigos, é un sesgo evolutivo da especie xa que resulta máis útil para a supervivencia. Pero hai que advertir contra este sesgo que pode conducir ó fatalismo.

E de aí, a necesidade como individuos e como institución, de renovar constantemente o noso compromiso coa sociedade. Por-que como afirmaba o filósofo vienés «non existe unha lei histórica do progreso». Somos nós, cada un de nós, os que día a día e paso a paso, temos que percorrer ese camiño cara a esa sociedade máis xusta e igualitaria.

Moitas grazas pola súa atención.

O autor agradece a Dª Lorena Gonzalez Gil,

a Dª Marta Lema Garabatos e

ós profesores Eduardo Freijanes Rivas e

José M. Sabucedo Cameselle

os seus comentarios e achegas.

BIBlIOgRAfÍA

American Chemical Society and The Royal Society of Chemis-try (1999). “The discovery and development of penicillin 1928-1945”. In:

http://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/flemingpenicillin.html

averill B. and eldredge p. (2016). Chemistry: Principles, Pat-terns and applications. Sailor Books

Basf (2015) https://www.basf.com/documents/tr/en/about-us/Publica-tions/2015/BASF-history_We-create-chemistry-1865-2015.pdf

Berton, L.P. (2007). Chemical Engineering Research Trends. Nova Science Pu. New York.

BrUnet, R. et al . (2014). “Combined simulation-optimization methodology to reduce the environmental impact of phar-maceutical processes. Penicillin V production”. Journal of Cleaner Production 76, 10-19. DOI: 10.1016/j.jcle-pro.2014.02.012

deUtChman O. et al. (2011). “Heterogeneous Catalysis and So-lid Catalysts”. In: Ullman´s Encyclopaedia of In-dustrial Chemistry. Published Online : 15 oct 2011, DOI: 10.1002/14356007.o05_o02

erisman, J.E et al, (2008). “How a Century of ammonia synthesis changed the world”. Nature Geocience 1: 636-639

flavell-While, C (2010). “Pfizer´s penicillin pioneers”.The Che-mical Engineer Today, February, 54-55

hager t. (2008). The Alkemy of Air. Broadway Books, New York.


heveling, J. et al (2012). “Heterogeneous Catalytic Chemistry by Example of Industrial Applications”. J. Chemical Educa-tion, 89: 1509-36. DOI: 10.1021/ed200816g

markel H. (2013). “The real history behind penicillin” . In: http://www.pbs.org/newshour/rundown/the-real-story-behind-the-worlds-first-antibiotic/

noBel leCtUres (1966) . Chemistry 1922-1941. Elsevier In https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/peppas n.a. (Ed.) (1989). One hundred years of Chemical Engi-

neering. Kluver Academic Publisher, Dordrecht.

Este libro, A enxeñaría química ó servizo da sociedade,que recolle o discurso inaugural lido na solemne apertura

do curso académico 2017-2018polo profesor Juan Manuel Lema Rodicio

saíu do prelo nos obradoirosda Imprenta Universitaria.Compostela, verán de 2017

A ENXEÑARÍA QUÍMICA Ó SERVIZO DA SOCIEDADE³n Inaugural da USC_ A...en marcha do Mestrado en...

Documents

Transcript of A ENXEÑARÍA QUÍMICA Ó SERVIZO DA SOCIEDADE³n Inaugural da USC_ A...en marcha do Mestrado en...